TiAl合金亚快速凝固组织形成与演化规律研究

The sub-rapid solidification can refine casting microstructure, expand the solubility limit, formation metastable phase and decrease the segregation, and the material take on excellent performance. The solidification microstructures of TiAl alloy take on many types and forms under sub-rapid solidification conditions. Under sub-solidification condition, the TiAl alloy liquid/solid phase transformation is changed, and the peritectic reaction showed different with near equilibrium phase transformation. However, these variety microstructures have not been realized sufficiently. In this project, the self-developed bottom pouring vacuum suction casting was used to realize sub-rapid solidification of TiAl alloy, and focus on the formation and evolution of the microstructure of TiAl alloy. The effect of cooling rate on the first peritectic reaction will be studied for establish the relationship between the cooling rate and the first peritectic reaction temperature, and the effect of cooling rate on key components of aluminum content of peritectic reaction will be quantitative described. The relationship between precipitation behavior of boride and cooling rate will be analyzed, and the mechanism of coupling effect of cooling rate and boron element on the microstructure will be studied also. The relationship between cooling rate and phase composition, grain size and lamellar spacing and secondary dendrite arm spacing will be quantitative described. The solidification microstructure formation and evolution of TiAl alloy will be clarified under sub-rapid solidification. This project will not only enrich the non-equilibrium solidification theory of peritectic alloy, but also provide the theoretical and experimental evidence for the precise microstructure control of TiAl alloy.

亚快速凝固具有细化凝固组织、扩大固溶极限、减少偏析和形成亚稳结构等特点，使材料具有特殊的性能和用途。在亚快速凝固条件下，TiAl合金的液/固相变与包晶反应呈现出不同于近平衡条件的相变过程，其凝固组织呈现多种类型和形态的变化，然而，人们对这种凝固组织的形成及演化规律尚缺乏足够的认识。本项目以多元TiAl合金为研究对象，利用前期研究开发的底浇式真空吸铸技术实现TiAl合金亚快速凝固，研究冷却速率和第一包晶反应温度的关系，定量描述冷却速率对包晶反应关键成分点铝含量的影响规律，分析冷却速率对硼化物的种类及形态的影响规律，研究冷却速率和硼元素的耦合作用对凝固组织的作用机理，定量描述冷却速率与凝固组织的相组成、晶粒尺寸、层片间距和二次枝晶臂间距等的关系，阐明TiAl合金亚快速凝固组织形成与演化规律。本项目不仅可以丰富包晶合金非平衡凝固理论，也为TiAl 合金微观组织精确控制提供了理论和实验依据。

亚快速凝固开辟了多元多相包晶合金超乎常规凝固的某些新领域，会出现许多异常现象，其液/固相变与包晶反应不仅各自呈现出不同于近平衡条件的相变过程，且液/固与包晶相变的耦合更出现迥异于平衡的情况，相的形核和生长及组织形态的演化变得更为复杂。本项目以Ti-(44~50)at%Al-(0~1) at%B 合金为研究对象，采用数值模拟、实验研究与理论分析相结合的方法，从凝固角度出发，针对亚快速凝固条件下合金元素对凝固组织的作用机理、冷却速率和包晶反应的关系及亚快速凝固组织的形成与演化规律进行了研究，在探索该合金本身的非平衡凝固特性的同时，更注意包晶合金在非平衡凝固时所表现出的普遍规律。主要包括：研究了亚快速凝固条件下，冷却速率对包晶反应影响规律，主要包括第一包晶反应的温度，第一包晶转变的Al 含量范围，即关键成分点Cβ 和Cα的铝含量，建立包晶反应温度和冷却速率的关系，定量描述冷却速率对Cβ 和Cα的影响规律；研究了不同冷却速率下，硼含量对硼化物的析出形态、尺寸、含量、分布情况的影响规律；研究不同冷却速率下的硼化物、β 相和α 相三者之间位相关系；研究了亚快速凝固条件下，硼含量对性能的影响规律，揭示不同冷却速率下，硼元素对凝固组织及性能作用的内在机理；研究了不同冷却速率下TiAl 合金的相组成，相含量，相的形貌及分布；定量描述二次枝晶臂间距和冷却速率的关系；阐明了亚快速凝固条件下，TiAl 合金凝固组织的形成及演化规律。本项目不仅丰富了包晶合金非平衡凝固理论，也为TiAl 合金微观组织精确控制提供了理论依据和实验基础。